Stahl

(steel) Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Verbindung, die weniger als 2,06% Kohlenstoff enthält. Er besteht überwiegend aus Eisen mit Legierungsbestandteilen. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen. Das gewonnene Roheisen enthält 3,5 - 4,5 % Kohlenstoff, dadurch ist es spröde und erweicht beim Erhitzen sofort. Um daraus Stahl zu gewinnen, muss der Kohlenstoffgehalt herabgesetzt werden. Auch müssen störende Begleitelemente wie Phosphor, Schwefel, Silizium, Sauerstoff und Mangan reduziert werden. 

Kohlenstoffstähle sind die am häufigsten eingesetzten metallischen Legierungen. Durch gezieltes legieren mit Kohlenstoff kann bestimmt werden welche Eigenschaften der Stahl bekommt. Im allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester und spröder.
Ausnahmen bilden u.a. IF-Stähle, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil ist. Als neue Definition für Stähle folgt daraus: Stähle sind eisenbasierte Legierungen, die plastisch verformt werden können.

Legierungsbestandteile wie u.a. Chrom, Mangan, Molybdän werden gezielt für die geforderten Bedürfnisse zugesetzt.

Legierungsbestandteile z.B.:

  • Chrom verbessert die Härte und Warmfestigkeit der Stähle
  • Nickel und Vanadium erhöhen die Zähigkeit
  • Molybdän erhöht die Warmfestigkeit
  • Wolfram erhöht die Härte

Stahlherstellung

Stahl wird, über den Zwischenschritt Roheisen, aus Eisenerz hergestellt. Auch Schrott kann als Ausgangsmaterial zur Stahlgewinnung genutzt werden. Das Roheisen wird im Hochofenprozess gewonnen und in weitern Raffinationsprozessen zu Stahl veredelt. Der Hochofen ist ein aus Schamott ausgekleideter Stahlzylinder mit einer Höhe von ca. 50 m und einem Durchmesser von ca. 10 m. Zur Kühlung der Ummantelung sind in das Mauerwerk Kästen eingelassen, durch die fortwährend Wasser fließt. Moderne Hochöfen liefern täglich mehr als 10.000 Tonnen Roheisen. Die Standzeiten für Hochöfen liegen durchschnittlich bei 10 Jahren Dauerbetrieb. Würde diese Betriebszeit durch einen Störfall unterbrochen, müsste der Hochofen komplett neu aufgebaut werden.

In Deutschland werden importierte Eisenerze mit einem Eisengehalt von 64% eingesetzt. Eisenerz und Koks werden durch Brechen und Sieben auf eine einheitliche Größe klassiert. Um Staubanteile einzubinden und die Durchgasung der Schüttung im Hochofenschacht zu verbessern, werden die Erze gesintert oder pelletiert. Beim Sintern werden den Erzen Zuschläge zugesetzt, die die Schlackebildung optimieren. Der Hochofen wird Schichtweise abwechselnd mit Erz und Koks beschickt. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen für die Reaktion die nötige Temperatur zum schmelzen und Kohlenmonoxid für die Reduktion des Eisenoxids. Der Hochofen wird im Gegenstrom mit heißer Luft (1000 –1300°C) durchströmt um die Verbrennung des Koks zu optimieren. Aus dem Eisenerz entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden. Das Roheisen enthält noch viel Kohlenstoff der durch das sogenannte Frischen (einblasen von Sauerstoff) in einem weiterem Reaktor reduziert wird, es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem die geforderten Legierungsbestandteile zugemischt wurden, wird der Stahl im Strang, Kokillen oder zu Halbzeugen vergossen.